航行并不總是按計(jì)劃進(jìn)行--當(dāng)強(qiáng)大的逆風(fēng)把蒼蠅甩向后方、無(wú)視它們向前拍打的翅膀，這是它們們的慘痛教訓(xùn)。逆流而上的魚(yú)、側(cè)身而行的螃蟹甚至人類(lèi)在向右看的同時(shí)向左看都要面對(duì)類(lèi)似的挑戰(zhàn)。當(dāng)頭部指向一個(gè)方向而身體向另一個(gè)方向移動(dòng)時(shí)，大腦如何計(jì)算動(dòng)物的行進(jìn)方向是神經(jīng)科學(xué)中的一個(gè)謎。
現(xiàn)在，一項(xiàng)新研究在解開(kāi)這個(gè)謎團(tuán)方面取得了重大進(jìn)展，它報(bào)告稱(chēng)，蒼蠅的大腦有一組神經(jīng)元，它可以發(fā)出身體行進(jìn)方向的信號(hào)，而不管頭部指向哪個(gè)方向。發(fā)表在《自然》上的這一發(fā)現(xiàn)還詳細(xì)描述了蒼蠅的大腦如何從更基本的感官輸入中計(jì)算出這一信號(hào)。
來(lái)自洛克菲勒大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家Gaby Maimon指出：“這些神經(jīng)元不僅為蒼蠅的旅行方向提供信號(hào)，而且還在一個(gè)以世界為中心的參考框架中這樣做。”論文的第一作者Cheng Lyu補(bǔ)充成，引人注目的是，這些昆蟲(chóng)正在將身體參考的感覺(jué)輸入轉(zhuǎn)化為世界參考的信號(hào)，這使得蒼蠅知道它正在行進(jìn)，比如向太陽(yáng)的右邊或向北飛行90度。
找到自己的位置
即使我們閉上眼睛，我們通常也會(huì)對(duì)我們?cè)谝粋€(gè)房間里的位置和我們所面對(duì)的方向保持一個(gè)很好的概念。這是因?yàn)?，即使在黑暗中，我們的大腦也會(huì)對(duì)我們?cè)诳臻g中的位置構(gòu)建一個(gè)內(nèi)部理解。在20世紀(jì)80年代，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)一組被稱(chēng)為頭部方向細(xì)胞的細(xì)胞在讓我們知道我們的角度方向方面起著關(guān)鍵作用，后來(lái)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)蒼蠅也有類(lèi)似功能的細(xì)胞。這些細(xì)胞的活動(dòng)表明頭部所指向的角度，類(lèi)似于羅盤(pán)針在環(huán)境中指示人的方向。
只要我們?cè)谛凶呋蛏n蠅在飛翔時(shí)跟頭部指向的方向一致，一切都會(huì)表現(xiàn)得很好。頭部方向的細(xì)胞可以被用來(lái)更新一個(gè)人要去哪里的內(nèi)部感覺(jué)。但如果我們?cè)诔瘱|走的時(shí)候向北走或如果一只蒼蠅試圖向前飛行而風(fēng)把它往后推，頭部方向細(xì)胞就會(huì)指向錯(cuò)誤的方向。不過(guò)這個(gè)系統(tǒng)仍在工作。蒼蠅相對(duì)來(lái)說(shuō)不會(huì)受到風(fēng)流的干擾，而人類(lèi)在轉(zhuǎn)動(dòng)身體欣賞風(fēng)景時(shí)也不會(huì)迷路。Lyu和Maimon想要知道蒼蠅是如何知道它們要去哪里的，即使它們的頭部方向細(xì)胞似乎在傳遞不準(zhǔn)確的信息。
為了回答這個(gè)問(wèn)題，Lyu把果蠅粘在了只固定昆蟲(chóng)頭部的微型背帶上，這使得他能夠記錄下果蠅的大腦活動(dòng)并與此同時(shí)能讓果蠅自由地扇動(dòng)翅膀以在一個(gè)虛擬環(huán)境中引導(dǎo)它們的身體。該裝置包含了幾個(gè)視覺(jué)線索以使果蠅能感覺(jué)到它被向后或向側(cè)面吹。
正如預(yù)期的那樣，頭部方向細(xì)胞始終指示蒼蠅對(duì)太陽(yáng)--由亮光模擬--的方向，跟較暗的點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)了一組新的細(xì)胞，它們用于指示蒼蠅的行進(jìn)方向，而不僅僅是其頭部所指向的方向。比如如果蒼蠅直接面向東方的太陽(yáng)，同時(shí)被吹向后方，那么這些細(xì)胞會(huì)表明蒼蠅（實(shí)際上）正在向西行進(jìn)。Maimon指出：“這是已知的第一組細(xì)胞，用于指示動(dòng)物在以世界為中心的參考框架中的運(yùn)動(dòng)方向。 ”
心智數(shù)學(xué)
但研究小組也想知道蒼蠅的大腦如何在細(xì)胞水平上計(jì)算動(dòng)物的旅行方向。通過(guò)跟哥倫比亞大學(xué)祖克曼研究所的理論家Larry Abbott的合作，Lyu和Maimon能夠證明，蒼蠅的大腦從事著一種數(shù)學(xué)練習(xí)。
一位物理學(xué)學(xué)生在繪制一個(gè)物體的軌跡時(shí)會(huì)把軌跡分成運(yùn)動(dòng)的組成部分，它們沿著X軸和Y軸繪制。同樣，在蒼蠅的大腦中，四類(lèi)對(duì)視覺(jué)運(yùn)動(dòng)敏感的神經(jīng)元將蒼蠅的行進(jìn)方向表示為沿四條軸的組成部分。每個(gè)神經(jīng)元類(lèi)別可以被認(rèn)為是代表一個(gè)數(shù)學(xué)矢量。矢量的角度指向其相關(guān)軸的方向，矢量的長(zhǎng)度表示蒼蠅沿該方向移動(dòng)的速度?！傲钊梭@訝的是，蒼蠅大腦中的一個(gè)神經(jīng)回路旋轉(zhuǎn)這四個(gè)矢量，使它們跟太陽(yáng)的角度正確對(duì)齊，然后將它們相加，得到的結(jié)果是一個(gè)輸出矢量，參考太陽(yáng)，它指向蒼蠅行進(jìn)的方向，”Maimon說(shuō)道。
矢量數(shù)學(xué)不僅僅是對(duì)正在發(fā)生的計(jì)算的一種比喻。相反，蒼蠅的大腦似乎真的在進(jìn)行矢量運(yùn)算。在這個(gè)電路中，神經(jīng)元群明確地將矢量表示為活動(dòng)的波，波的位置代表矢量的角度，波的高度代表其長(zhǎng)度。研究人員甚至通過(guò)精確操縱四個(gè)輸入矢量的長(zhǎng)度來(lái)測(cè)試這個(gè)想法并顯示輸出矢量的變化就像蒼蠅在字面上加起來(lái)的矢量那樣。
Maimon表示：“我們提出了一個(gè)強(qiáng)有力的論點(diǎn)，即這里發(fā)生的是大腦中矢量數(shù)學(xué)的明確實(shí)現(xiàn)。這項(xiàng)研究的獨(dú)特之處在于，我們用廣泛的證據(jù)表明，神經(jīng)元電路是如何實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算的?！?/p>
了解空間認(rèn)知
目前的研究弄清了蒼蠅如何在當(dāng)下弄清它們要去的方向。未來(lái)的研究將考察這些昆蟲(chóng)如何隨著時(shí)間的推移跟蹤它們的行進(jìn)方向以了解它們最終的目的地?！耙粋€(gè)核心問(wèn)題是大腦如何整合跟動(dòng)物的行進(jìn)方向和速度有關(guān)的信號(hào)以形成記憶。研究人員可以把我們的發(fā)現(xiàn)作為一個(gè)平臺(tái)以研究工作記憶在大腦中是什么樣子，”Lyu說(shuō)道。
這些發(fā)現(xiàn)可能對(duì)人類(lèi)疾病也有影響。因?yàn)榭臻g混亂往往是阿爾茨海默病的早期跡象，許多神經(jīng)科學(xué)家對(duì)了解大腦如何構(gòu)建內(nèi)部空間感感興趣。Maimon表示：“擁有微小大腦的昆蟲(chóng)對(duì)其行進(jìn)方向有明確的認(rèn)識(shí)，這一事實(shí)應(yīng)迫使研究人員在哺乳動(dòng)物的大腦中尋找類(lèi)似的信號(hào)和類(lèi)似的定量操作。 這樣的發(fā)現(xiàn)可能為阿爾茨海默病及其他困擾空間認(rèn)知的神經(jīng)系統(tǒng)疾病的功能障礙提供信息。'”
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